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新しい医療機器の設計のための 3D 手術シミュレーション
院内ロボット手術の仮想検証
手にできるタコのように、声の使いすぎは声帯に硬い非癌性の腫瘍を形成する可能性があります。声帯の機能を保つためにこれらの結節を速やかに除去することは、声を頼りにする俳優や歌手にとって極めて重要です。良性の結節やまれな癌性腫瘍を除去する従来の方法は、病院の手術室で行われる手術でした。
近年、医療機関でこのような病変をレーザーで除去する治療法が普及しつつあります。この処置では、レーザーパルスで声帯の腫瘍を破壊したり縮小したりします。全身麻酔を必要としない、迅速な外来手術が可能です。
しかし、今日の手術に使用されている内視鏡装置の技術には限界があります。「内視鏡は機能はします。これ自体は良いニュースです」と Worcester Polytechnic Institute（WPI）のロボット工学教授である Loris Fichera氏は言います。「残念なことは、器具が光を当てる方法は非常に限られているため、喉頭の特定の部分に到達するのが難しい場合があります。」
新しい光ファイバーの設計と内視鏡の構成により、この制限は克服されるはずです。Fichera 氏とその同僚はMATLAB®を使用して現在使用されている平らなファイバーではなく、先端が斜めのファイバーが、人間の喉頭の高解像度 3D モデルで最適なパフォーマンスを発揮する方法をシミュレートします。医療機器をシミュレートすることで、まず死体でテストし、その後に臨床でテストしなければならない物理的なプロトタイプを作成するために必要な時間とコストを削減したいと考えています。このシミュレーションは、将来、より効果的な光ファイバーや内視鏡機器の開発時に検証を提供する可能性があります。
a) 青い円錐は内視鏡カメラの視野を表し、腫瘍の視野も含まれています。赤い破線はレーザー ファイバーの視線を表しています。b) 声帯の下にある腫瘍は、前向きのレーザー ファイバーでは届きにくいです。(画像著作権: Carla Dipasquale 氏のイラストレーション、Loris Fichera 氏の許可を得て掲載）
「こうしたデバイスの製造には多額の費用と時間がかかります」と Fichera 氏は言います。「MATLABによるシミュレーションを使用すると、製造することなく数十種類の異なる設計を迅速に評価できます。どの構成が有望であり、プロトタイプを作成すべきかを判断します。これにより、プロトタイプ作成時間が短縮され、コスト効率が大幅に向上します。設計とプロトタイピングの各サイクルは、設計の複雑さに応じて、3 週間から 2 か月しかかかりません。」
バーチャルの喉頭
クリニックで行う喉頭手術では、カメラと光ファイバーを備えた細くて柔軟な内視鏡を喉に挿入します。現在の光ファイバーは先端が平らで、対象組織に向かって前方に光を放射するため、直接視線に入らない声帯の下面や端には届きません。
「Medical Imaging Toolboxを使用すると、数回クリックするだけでデータセット全体を読み込み、3次元レンダリングを作成できます。この機能とデータをエクスポートする機能を持つことは重要です。つまり、新しいデザインごとにゼロから始めるわけではないということです。標準的で、機能することが分かっているものに頼ることができます。これにより、新しいデザインごとに数週間の節約が可能になります。」
最近の研究では、さまざまな角度で光を照射する先細りのファイバーチップにより、医師が喉頭の届きにくい部分を治療できるようになる可能性があることが示唆されています。Fichera 氏はハーバード大学医学大学院およびボストンのブリガム・アンド・ウィメンズ病院の医療専門家と提携し、このような角度のついたファイバーの有効性を評価しました。彼らは、従来の前向きのファイバーと、それぞれ 45°、70°、90° の角度で光を放射する 3 つのサイドファイアリングファイバーという、異なるタイプのレーザー ファイバーを比較するシミュレーション ベースの研究を実施しました。
WPI チームは、喉頭標本のマイクロ CT (マイクロ CT) スキャンから画像をコンパイルし、Image Processing Toolbox™ で処理することで、人間の喉頭の 7 つの異なる 3D 解剖モデルを作成しました。
CT スキャンは、高解像度のグレースケール 2D 画像のシーケンスであり、各ピクセルは特定の場所の組織の密度を伝えます。各画像は、次の画像のスライスから数マイクロメートル離れた組織のスライスを表しています。「まるで異なる高さで写真を撮っているようです」と Fichera 氏は言います。「これらの画像を処理して3次元形状を再構築し、その出力がステレオリソグラフィー（STL）ファイルになります。これは通常3Dプリントで使用されるものと同じ形式です。」
90度サイドファイアリングファイバーにより、これまでは届かなかった喉頭の領域にもアクセスできるようになります。(画像著作権: Loris Fichera)
市販の放射線ソフトウェアは、医用画像から 3D 形状を再構築できます。それでも、このソフトウェアは扱いが難しく、Fichera 氏とその同僚が必要とする STL 形式でデータをエクスポートできないことがよくあります。チームは CT スキャンを 3D 喉頭レンダリングに変換するためのコードの作成に 1 週間を費やしました。
「Medical Imaging Toolboxを使用すると、数回クリックするだけでデータセット全体を読み込み、3次元レンダリングを作成できます。この機能とデータをエクスポートする機能を持つことは重要です。つまり、新しいデザインごとにゼロから始めるわけではないということです。標準的で、機能することが分かっているものに頼ることができます。これにより、新しいデザインごとに数週間の節約が可能になります」と Fichera 氏は言います。
Fichera 氏の大学院生も、外科用ロボットに関する講義でMedical Imaging Toolbox™を使用しています。以前は、学生たちは放射線学ソフトウェアを使用して 3 次元再構成を練習する課題を与えられました。「もうそのソフトウェアを使う必要はありません」と Fichera 氏は言います。「このためにMATLABを使用するように依頼しています。」
手術シミュレーション
仮想喉頭モデルを作成した後、WPI チームは File Exchange のオープンソース MATLAB コードを使用して、一般的に使用される市販の内視鏡のモデルを作成しました。内視鏡では、カメラの先端が右側の声帯の上にあり、レーザー ファイバーの先端が左側の声帯の上にあります。3つの自由度で動きます。
「Parallel Computing Toolboxを使用すると、シミュレーションの実行に約 7 時間かかります。Parallel Computing がなければ、おそらく数日かかるでしょう。」
研究チームは、動作計画アルゴリズムを使用して喉頭への内視鏡の挿入と動きをシミュレートするプログラムを作成しました。研究者らは、異なる光ファイバーを備えた仮想内視鏡を7つの喉頭モデルに導入しました。プログラムは、器具が到達可能な喉頭内のすべての位置を表す点群を生成しました。
次に、彼らは、ゲーム開発者が 3D 仮想シーンの照明をシミュレートするために広く使用されている計算手法であるレイキャスティングを使用して、光ファイバーの先端から出てくるレーザービームを模倣しました。彼らは光線と三角形の交差アルゴリズムを使用して、レーザー光線が到達した喉頭組織を検出しました。「基本的に、私たちはこれらのクラウドポイントを一つずつ調べて、『レーザーファイバーがここにあり、この場所から光を当てると、どの組織に到達するのか』と自問します。」
ファイバーの自由度を示す内視鏡モデル。(画像著作権: Loris Fichera)
レイ キャスティングは計算コストが高いため、処理を高速化するためにParallel Computing Toolbox™を使用したと彼は言います。「何千もの視点から光線を一つずつ投影するのではなく、一度にできるだけ多くのポイントから並行してレイキャスティングを実行し、すべての結果を集約します。Parallel Computing Toolboxを使用すると、シミュレーションの実行に約 7 時間かかります。Parallel Computing がなければ、おそらく数日かかるでしょう。」
研究者らは、45°、70°、90°の角度のファイバーにより、アクセスおよび治療できる喉頭組織全体がそれぞれ平均50%、74%、84%増加することを発見しました。
次世代内視鏡の設計
この研究は、サイドファイアリングファイバーがロボット喉頭手術を改善できるという証拠を提供するとともに、現在の内視鏡の根本的な限界を明らかにしました。手術シミュレーションでは、右声帯付近の点群に明らかな隙間があることが示されました。「ソフトウェアは、喉頭に非常に届きにくい部分があることを教えてくれました」と Fichera 氏は言います。「ですから、患者さんが腫瘍があって来院しても、治療することはできません。これは全く意味がありませんでした。私たちが最初に考えたものは、間違いに違いないということでした。」
「私たちのアイデアは、現在使用されている内視鏡を、当社独自のこのデバイスに置き換えることです。どのような設計を思いついたとしても、物理的な機器を製造したり触ったりする前に、まずMATLABでシミュレーションを実行し、想定どおりに動作するかどうかを確認してから、試作に進むことができます。」
手術シミュレーションにより、現在利用可能な内視鏡ではアクセスできない右声帯近くの点群の隙間が特定されました。(画像著作権: Loris Fichera)
驚いたことに、Fichera 氏の同僚医師たちは、実際に右声帯へのアクセスが困難であるという症状を経験していることを確認しました。コンピューター プログラムに戻って、Fichera 氏のチームは、このギャップは内視鏡の偏心設計 (カメラが片側、光ファイバーが反対側にある) によるものであり、外科医が内視鏡を 360 度完全に回転させることが難しいためであることに気づきました。
Fichera 氏によると、現在喉頭手術に使用されている内視鏡は、この特定の手術に最適化されているのではなく、他の内視鏡の設計に基づいています。WPI チームは、この研究を新しい内視鏡医療機器の開発の基礎として活用する予定です。
「私たちは、同じ機器を使い続けながら新しいファイバーを開発するだけでよいと信じてこの研究を始めました」と彼は言います。「しかし、結局のところ、これらの結果が私たちに伝えているのは、内視鏡の設計も再考する必要があるということだと思います。」
Fichera 氏とその同僚は、データを活用して助成金を申請し、その資金を使ってまったく新しいデバイスを開発することを計画しています。「私たちのアイデアは、現在使用されている内視鏡を、このデバイスの当社バージョンに置き換えることです。どのような設計を思いついたとしても、物理的な機器を製造したり触ったりする前に、まずMATLABでシミュレーションを実行し、想定どおりに動作するかどうかを確認してから、試作に進むことができます。」
